Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

of 42 /42
ACIZII NUCLEICI ACIZII NUCLEICI Curs Biochimie

Transcript of Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Page 1: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

ACIZII NUCLEICIACIZII NUCLEICI

Curs Biochimie

Page 2: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

AciziiAcizii nucleicinucleici sausau polinucleotidelepolinucleotidele sunt compusi macromoleculari a caror masa moleculara atinge cateva zeci de milioane. Ei sunt constituiti din maimulte nucleotide. Nucleotidele contin o baza purinica sau pirimidinica, un rest glucidic (pentoza) si una sau mai multe grupari fosfat.

BazeleBazele ce intra in componenta acizilor nucleici sunt substante ce au in structura un nucleu heterociclic purinic sau pirimidinic, de unde si denumirea de baze purinice, respectiv pirimidinice.

Bazele cu nucleu purinic sunt: Adenina (A) si Guanina (G)Bazele cu nucleu pirimidinic sunt: Uracilul (U), Citozina (C) si Timina (T).O O nucleotidanucleotida are in componenta: o baza (purinica sau pirimidinica), un

rest glucidic si una sau mai multe grupari fosfat. Nucleotidele sunt prescurtate prin 3 litere, ca de exemplu:

AMP = adenozinmonofosfatdAMP = deoxiadenozinmonofosfatUDP = uridindifosfatATP = adenozintrifosfat

Baza Nucleozida Abreviere

Adenina Adenozina A

Guanina Guanozina G

Citozina Citidina C

Uracil Uridina U

Timina Timidina T

Page 3: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Nucleotidele au numeroase functii:

1.sunt surse importante de energie, putand fiusor hidrolizate (exemplu ATP):

2.pot forma impreuna cu alte resturi coenzimeimportante (exemplu Coenzima A = CoA)

3.intra in componenta unor molecule cu rol in transmiterea semnalul celular(exemplu AMP ciclic = AMPc)

Page 4: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Acizii nucleici

Pentru a forma acizi nucleici, nucleotidele sunt legate intre ele prin puntiformate de acidul esteric dublu esterificat (cu grupa hidroxil de alcoolul secundardin pozitia 3 a unei molecule de pentoza) pe de o parte, iar pe de alta parte, cu grupa hidroxil de alcool primar din pozitia 5 a altei molecule de pentoza din nucleotidul urmator.

Gruparea neesterificata a acidului fosforic imprima acizilor nucleicicaracterul acid care explica afinitatea lor pentru colorantii bazici (folositi in tehnicamicroscopica).

+

Capatul 3`

Capatul 5`

Page 5: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

FOSFATINUCLEOTIDE

Baza + Glucid = NucleozidaBaza + Glucid + Fosfat = Nucleotida

BAZE

BAZE

Page 6: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Exista doua tipuri de acizi nucleici in functiede glucidul care intra in compozitie:

1. cand in structura avem Riboza, acizii se numesc ribonucleiciribonucleici (ARN)(ARN), pe langa riboza maiputand contine si cele 4 baze: A, U, G si C

2. cei care contin in structura Deoxiriboza (in pozitia 2` a ribozei gruparea –OH a fost redusa la -H) se numesc aciziacizi deoxiribonucleicideoxiribonucleici ADNADN si mai pot contine urmatoarele 4 baze: A, T, G si C.

Secventa bazelor in structura acizilor nucleicireprezinta informatia genetica din celulele vii. Fiecarebaza are abilitatea de a-si recunoaste prin interactiinoncovalente baza complementara: G-C sau A-T din structura ADN-ului.

Secventa liniara a nucleotidelor in acizii nucleicieste de obicei abreviata ca in exemplul urmator, incepandu-

se cu capatul 5` al lantului:A-G-C-T-T-C-A

Page 7: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

REZUMAT 1REZUMAT 1

Toate organismele vii sunt sisteme chimice autonome. Ele au la baza seturi distinctive de molecule pe baza de carbon, molecule care suntaceleasi pentru toate speciile vii. Cele mai importante categorii sunt: glucidele, acizii grasi, aminoacizii si nucleotidele.

GlucideleGlucidele reprezinta sursa principala de energie a celulei vii, eleputand fi stocate sub forma polizaharidelor.

AciziiAcizii grasigrasi sunt de asemenea importanti ca sursa de energie, dar rolul lor principal este acela de a intra in structura membranelorcelulare.

ProteineleProteinele sunt polimeri ce au la baza aminoacizi.NucleotideleNucleotidele joaca un rol important in transferul de energie si

reprezinta subunitatile din care sunt constituite macromoleculeleinformationale ADN si ARN.

Page 8: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

OrdineaOrdinea sisi energiaenergia biologicabiologica

Toate celulele trebuie sa se supuna legilor fizicii si chimiei. Regulilemecanicii si conversiei unei forme de energie in alta se aplica in egala masuraunei celule vii cat si unui motor cu aburi.

Este binecunoscut faptul ca un sistem lasat in voia sa tinde spre o dezordine universala: cu timpul cladirile se darama, organismele moarte suntoxidate, samd. Aceasta tendinta generala este regasita in legea a doua a termodinamicii, in care se afirma ca gradul de dezordine a universului (sau a oricarui sistem izolat) nu poate decat sa creasca.

Page 9: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Organismele vii mentin, la toate nivelele, un grad ridicat al ordinii. Aceastaordine este intalnita de la aripile unui fluture, pana la nivel celular, subcelular simolecular. Atomii constituenti sunt aranjati intr-o ordine anume, fiind blocati in structuri precise. Chiar si o celula care aparent nu se dezvolta, are o ordineinterioara bine stabilita, pentru ca inevitabil, in interiorul celulei pot sa aparaaccidente care trebuiesc reparate in mod constant.

Cum Cum esteeste acestacest lucrulucru posibilposibil din din punctpunct de de vederevedere termodinamictermodinamic? ? Raspunsul este acela ca fiecare celula primeste combustibilul necesar din

mediul ce o inconjoara si il elimina sub forma reziduurilor; celula nu este deci un sistem izolat din punct de vedere termodinamic.

Ordinea biologica este posibila prin cedarea de energie sub forma de caldura de catre celule.

Conform celei de-a doua legi a termodinamicii, gradul de ordonare al unui sistem descreste cu trecerea timpului. Asadar, cresterea continua a ordiniiintr-o celula vie nu se poate realiza decat cu o crestere si mai mare a dezordiniimediului inconjurator celulei. Caldura este energie in forma cu gradul cel maimare de dezordine.

Page 10: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

GeneleGenele suntsunt formateformate din ADN!din ADN!

Dintotdeauna s-a stiut ca orice samanta sadita, orice ou fertilizat trebuiesa contina un plan ascuns, un design, pentru dezvoltarea unui nou organism, fie el animal sau vegetal. Stiinta geneticii moderne porneste de la premisa elemntelorce contin informatia nevazuta, elemente numite gene, care sunt transmise fiecareicelule fiice in timpul diviziunii celulare.

Cu alte cuvinte, inainte de a se divide, fiecare celula trebuie sa-si faca o copie a genelor sale in scopul de a transmite mai departe celulelor fiice setulcomplet de informatii. Genele din sperma si ovul duc mai departe informatiaereditara de la o generatie la alta.

Page 11: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Acum se stie ca genele sunt compuse din molecule. La inceput a fostgreu sa se imagineze natura acestor molecule.

CeCe felfel de molecule de molecule arar puteaputea fifi depozitatedepozitate intrintr--oo celulacelula, molecule , molecule care care sasa directionezedirectioneze maimai departedeparte activitateaactivitatea unuiunui organism in organism in dezvoltaredezvoltaresisi care, de care, de asemeneaasemenea, , sasa fie fie capabilecapabile de o de o replicarereplicare de de ceacea maimai mare mare acurateteacuratete??

La sfarsitul celui de-al IX-lea secol, biologii au recunoscut ca transportorii informatiei genetice sunt cromozomii care incepeau sa devinavizibili cand celula incepea sa se divida. Ideea prezentei ADN-ului din care suntformate genele a aparut ceva mai tarziu. In 1944 s-a demonstrat ca, adaugandADN-ul pur al unei linii bacteriene la o alta, se poate observa conferirea unorproprietati ereditare caracteristice primei linii bacteriene. Se stia ca doarproteinele au o structura conformationala foarte complexa, asa ca ideeaaceasta a fost intr-adevar o surpriza pentru biologii timpului. Aceasta teorie a fost acceptata doar la inceputul anilor 1950. Astazi este binecunoscut faptul ca ADN-ul celular cu intraga sa insiruire de nucleotide este cel care transmiteinformatia ereditara.

Page 12: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

MoleculeleMoleculele de ADN de ADN suntsunt alcatuitealcatuite din din douadoua lanturilanturi lungilungi, legate , legate intreintreeleele prinprin legaturilegaturi complementarecomplementare intreintre bazebaze!!

Lantul ADN-ului este un polimer lung, liniar, compus doar din 4 tipuri de subunitati. Acestea sunt deoxiribonucleotide ce contin ca baze: Adenina (A), Citozina (C), Guanina (G) si Timina (T). Nucleotidele sunt legate intre ele prinlegaturi fosfodiesterice care leaga C5` al unei grupe deoxiribozice de C3` al urmatoarei.

Cum poate un lant lung de nucleotide sa contina informatia unuiorganism, sau chiar doar a unei celule? Si cum pot fi transmie aceste informatiide la o generatie la alta?

Raspunsul sta in structura ADN-ului.

In anii 1950, analizele folosind difractia razelor X asupra diferitelorspecimene de ADN, au dus la concluzia ca ADN-ul este un polimer helicoidalcompus din doua lanturi. Structura helicoidala a ADNului se justifica prinorientarea fiecarei subunitati a polimerului, orientare care sa permita legaturi cu subunitatile vecine. Momentul crucial a fost descoperirea faptului ca ADN-ul estede fapt un lant dublu helicoidal.

Page 13: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

O prima imagine a ADN-ului il reprezenta cu bazele catre interioruldublului helix si cu resturile de fosfat catre exterior. Bazele dintr-un lant se gaseaumult prea aproape una de cealalta si pentru a incapea, era nevoie de legaturispecifice intre bazele complementare (denumite si bazele complementare Watson-Crick) cu molecula mare dintr-un lant (A sau G) si bazele pirimidinice cu un volummai mic de pe celalalt lant (T sau C), pe de cealalta parte.

Desi raportul nucleotidelor variaza de la o specie la alta, o regula este clara: cantitativ [G]=[C] si [A]=[T]. S-a mai aratat si ca numarul efectiv al legaturilor de hidrogen formate intre G si C sau intre A si T a fost mai mare decat in oricare altacombinatie.

ADN-ul dublu helicoidal

A. O mica selectie a helixului vazutdintr-o parte. Se observa 4 bazecomplementare. Aceste bazesunt reprezentate cu verde, in timp de resturile deoxiribozicesunt albastre

B. Helixul este vazut din capat. Celedoua lanturi ale ADN-ului suntasezate in directii opuse si fiecarebaza complementara estementinuta prin alte doua sau treipunti de hidrogen.

Page 14: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

ADN-ul si ARN-ul celular

Atat ADNul cat si ARNul sunt plomeri formati din inlantuirea mai multornucleotide. ARNul difera de ADN prin 3 caracteristici:1. are in componenta rest de Riboza si nu Deoxiriboza ca in cazul ADN;2. difera prin tipul bazelor intalnite in structura lantului: ARN contine Uracil, iarADN contine Timina3. ARNul este format dintr-un singur lant, in timp ce ADN are structura unui lantdublu helicoidal

Structurile ARN-ului si ADN-ului sunt prezentate in imaginile urmatoare:Structura ARN-ului Structura ADN-ului

Page 15: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Cele patru baze ale ARN-ului,

respectiv ale ADN-ului:

Se pot observa punti de hidrogen intre bazele complemetare

Page 16: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Lantul ARN este liniar, dar in anumite regiuni, pot sa apara legaturi (punti) de hidrogen datorita prezentei foarte apropiate a bazelor complementare, precum in imaginileurmatoare.

Prin micrografie electronica, acest lucru se evidentiaza ca niste ramuri.

Lantul simplu al ARN-ului: Lantul dublu helix al ADN-ului:

Page 17: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Capacitatea ereditara explicata prin structura ADN-ului

O gena transmite informatia biologica intr-o forma ce trebuie sa poatafi copiata cu exactitate si transmisa de la celula mama la celula fiica. Implicatiile descoperirii lantului dublu helicoidal au fost de foarte mare importanta, pentru ca o data cu aceasta descoperire, s-a putut explica modulin care este transmisa informatia ereditara.

Din moment ce fiecare lant contine o insiruire de nucleotide care suntexact complementarele celor din celalalt lant, ambele lanturi pot fi considerate a fi transportoarele aceluiasi bagaj genetic. Daca notam cele doua lanturi cu A si A’, lantul A poate fi folosit ca matrita pentru obtinerea lantului A’, si invers, folosind lantul A’, se poate obtine lantul A. Acest procedeu este posibil dupasepararea celor doua lanturi in conditii bine stabilite.

O concluzie directa poate fi aceea ca informatia genetica estecodificata in mod liniar de catre insiruirea de nucleotide, fiecare –A, C, T si G-putand fi considerate litere intr-un alfabet ce are doar 4 litere cu care este scrismesajul nostru biologic.

Page 18: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Secventa ADN a genei beta-globina umana

Aceasta gena codifica una din cele doua subunitatiale moleculei de hemoglobina, hemoglobina care transportaoxigenul in sange. Este evidentiat doar unul din lanturileADN-ului (celalalt fiind complementar). Secventa ar trebuicitita de la stanga la dreapta.

Considerand ca ADN-ul este format din n nucleotide, numarul de secvente posibile ale acestor nucleotide este 4n . Pentru o lungime moderata a ADN-ului, in principiu, varietateabiologica ce poate fi generata este enorma. O celula tipicaanimala contine 1 m de ADN (3X109 nucleotide). Scriind cu un alfabet linear ce contine doar 4 litere, o gena umana mica ar ocupa un sfert dintr-o pagina format A4, in timp ceinformatia genetica din acea gena ar putea umple o carte cu mai mult de 500.000 pagini.

Page 19: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Desi principiul replicarii genelor este unul simplu, procesul care are loc in realitate in interiorul unei celule este unul foarte complex, implicand un ansamblu de proteine ce formeaza “masina de replicare”.

Reactia fundamentala este cea in care AND-polimeraza catalizeazaadaugarea unei deoxiribonucleotide la capatul 3’ al lantului de ADN.

Fiecare nucleotida ce este adaugata este sub forma de Deoxiribonucleozid-trifosfat. Eliberarea restului pirofosfat din aceastanucleotida activata si hidroliza sa ulterioara ofera energie pentru reactia de replicare a ADN-ului, facand-o in acelasi timp si ireversibila.

Page 20: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Lantul nou format Lantul matrita

Replicarea helixului ADN-uluiincepe cu o separare punctuala a celordoua lanturi comlementare. Fiecare lantse comporta apoi ca matrita pentruobtinerea unei noi molecule de ADN obtinuta prin aditionarea secventiala a deoxiribonucloetid-trifosfatilor.

Fiecare nucleotida ce urmeaza a fi adaugata este aleasa printr-un procescomplex, respectand conditia ca aceastanucleotida sa fie complemetara cu nucleotida existenta in lantul matrita.

Page 21: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Dintr-un lant dublu helicoidal de ADN se obtin doua lanturi identice.

Din moment ce fiecare molecula de ADN sfarseste prin a avea in componentaunul din lanturile ADN-ului original, mecanismul de replicare al ADN-ului esteunul semiconservator.

Page 22: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Erorile in replicarea ADN-ului cauzeaza mutatii

Una din caracteristicile cele mai importante ale replicarii ADN-ului esteacuratetea. In timpul replicarii, mecanisme foarte sensibile analizeaza si eliminapozitionarile incorecte ale nucleotidelor. Ca rezultat, secventa de nucleotide din molecula ADN-ului este copiata cu mai putin de o greseala la 109 nucleotide adaugate. Totusi, foarte rar, in procedeul replicarii, este adaugata o nucleotidagresita in locul alteia. Orice astfel de greseala este considerata o gresealagenetica denumita mutatiemutatie, mutatie ce va fi copiata in toate noile generatii de celule ca si cum ar fi varianta corecta a lantului de ADN. O astfel de greseala, chiar si la nivelul unei singure nucleotide, poate avea implicatii enorme.

Pornind de la faptul binecunoscut ca proteinele sunt codificate de catregene, mutatia unei gene, poate duce la inactivarea unei proteine cruciale si maiapoi la moarte celulara.

Pe de alta parte, o mutatie poate fi “latenta” si sa nu afecteze functiileunei anumite proteine.

Foarte rar, prin mutatii se obtin gene cu o functie noua sauimbunatatita. In acest caz, organismele care poarta aceasta mutatie vor avea un avantaj, iar gena mutanta poate in final, prin intermediul selectiei naturale, sainlocuiasca gena originala intr-o anumita populatie.

Page 23: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

SecventaSecventa de nucleotide de nucleotide dintrdintr--oo genagena determinadetermina secventasecventa aminoaciziloraminoacizilor din din proteineproteine

ADNul este relativ inert din punct de vedere chimic. Informatia pe care o contine este indirect exprimata in alte molecule: ADN-ul directioneaza sinteza unuiARN specific si a unor anume proteine.

La inceput, a fost studiata structura tridimensionala a ADNului de catrebiofizicieni folosindu-se difractia razelor X. Se cunostea deja ca proteinele suntlanturi de aminoaczi legati intre ei prin legaturi peptidice. Abia la inceputul anilor ’50 cand a fost secventata insulina, o proteina de dimensiuni mici, s-a descoperit faptulca fiecare proteina are o secventa unica de aminoacizi si ca prin structura ei, fiecare proteina are anumite proprietati specifice.

Page 24: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Insulina bovina

Insulina este o proteina cu masa moleculara mica. Este constituita din doua lanturi polipeptidice, unul de 21 aminoacizi, iar celalalt de 30 aminoacizi. Legaturile S-S reprezinta legaturile tiolice intre resturile de Cisteina. Initial, insulina se formeaza ca un singur lant (codificat intr-o singura gena), care maiapoi este separat in doua lanturi reprezentate prin A si B.

Atat ADNul cat si proteinele sunt formate din secvente liniare de subunitati. Analiza proteinelor unor gene mutante a demonstrat faptul ca, celedoua secvente sunt colineare: nucleotidele in ADN sunt aranjate intr-o ordinecorespunzatoare aminoacizilor din proteina codificata.

Cum se traduce intr-o celula vie secventa de nucleotide de la nivelulADNului in secventa de aminoacizi din proteine?

Page 25: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

PortiuniPortiuni din din secventasecventa de ADN de ADN suntsunt transpusetranspuse in ARN care in ARN care ghideazaghideaza sintezasinteza proteicaproteica

Sinteza proteica incepe cu transpunerea unor regiuni specifice din ADN (gene) in polinucleotide chimic si functional diferite, denumite ARN (acid ribonucleic). ARNul, ca si ADNul, este compus dintr-o secventa liniara de polinucleotide, avandinsa doua diferente chimice: lantul glucidic contine riboza in loc de deoxiriboza, iaruna dintre baze – Timina- este inlocuita cu Uracil.

ARNul contine aceeasi informatie genetica cu ADNul dupa care esteformat. Procesul prin care se formeaza ARN din ADN se numeste transcriptie, care este similar cu replicarea ADNului atunci cand unul dintre lanturi foloseste dreptmatrita pentru cel de-al doilea.

Transcriptia ADNului difera de replicare prin mai multe caracteristici: 1. produsul obtinut (ARN), nu ramane ca un lant alineat ADNului. 2. chiar in urma regiunii unde sunt adaugate ribonucleotidele, se reformeaza ADNuloriginal sub forma de helix si elibereaza lantul de ARN. 3. lantul de ARN este simplu, spre diferenta de ADN care este dublu helicoidal.4. lantul ARNului este relativ scurt comparativ cu cel al ADNului, din moment ce el este format doar pronind de la o anumita regiune a ADNului.

Page 26: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

ARNul care sta la baza sintezei moleculelor proteice se numesteARN mesager ARNm, in timp ce restul de ARN serveste ca ARN de transfer ARNt sau formeaza ARN ribozomal ARNr.

Cantitatea de ARN ce se formeaza pornind de la o anumita regiunea ADNului este controlata de proteinele reglatoare genice care se leaga de situsuri specifice ale ADNului aflate aproape de zona de codificare.

Unele gene sunt folosite pentru obtinerea unor cantitati mari de ARN, in timp ce altele nu sunt folosite deloc. In fiecare generatie de celule, pentru o gena activa, mii de ARN transcript pot sa se obtina pornind de la acelasi segment de ADN.

Page 27: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Pentru ca fiecare molecula de ARNm poate fi transcrisa in mii de copiide lanturi polipeptidice, informatia continuta intr-o regiune mica a ADNului poatesa directioneze catre sinteza a milioane de copii ale unei proteine specifice.

Exemplu - proteina Fibroina (componenta majora a matasii). In fiecare celula, gena fibroinei conduce la formarea a 104 copii de

ARNm, fiecare ducand la sinteza a 105molecule de fibroina, producand in total 109molecule de fibroina in doar 4 zile.

Page 28: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

MoleculeleMoleculele de ARN de ARN eucarioteucariot suntsunt fractionate fractionate pentrupentru a a indepartaindeparta secventelesecventele de de introniintroni

In celulele bacteriene, majoritatea proteinelor sunt codate intr-un singurasecventa neintrerupta de ADN, care este copiata fara nici o alterare ducand la obtinerea moleculelor de ARNm. In 1977, biologii au descoperit ca majoritateagenelor eucariote au secvente proprii de codare numite exoni, care suntintrerupte de secvente fara capacitate de codare numite introni.

Pentru a produce o proteina, intreaga lungime a unei gene (inclusivintronii si exonii), este transcrisa intr-o molecula lunga de ARN (primul transcript). Inainte ca ARNul sa paraseasca nucleul, un complex de enzime indeparteazatoate secventele de introni, producand secvente de ARN mult mai scurte. Dupaaceasta etapa, moleculele de ARN parasesc nucleul trecand in citoplasma sub forma de molecule de ARNm, ce mai departe conduc la formarea proteinelor.

Primele transcripte de ARN ale anumitor gene pot fi fragmentate in maimulte feluri pentru a produce diferiti ARNm, in functie de tipul de celula si de stadiul de dezvoltare. Acest lucru permite obtinerea mai multor proteine pornindde la aceeasi gena.

Page 29: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Page 30: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

SecventeleSecventele de nucleotide din de nucleotide din ARNmARNm suntsunt ““cititecitite”” in in seturiseturi de de catecate treitrei sisitranspusetranspuse in in aminoaciziaminoacizi

In anii ’60 au fost descifrate regulile dupa care secventele de nucleotide de la nivelul genelor sunt transpuse in secvente de aminoacizi din proteine(codul genetic). S-a descoperit ca secventele nucleotidelor din ARNm sunt cititein serii de cate trei.

Fiecare triplet de nucleotide, numit codon, codifica un anumitaminoacid. Pentru ca ARNul este un polimer linear constituit din doar 4 nucleotide diferite, exista 43=64 posibilitati diferite de codoni (importanta este si secventatripletilor din codon, nu doar componenta codonului). Doar 20 aminoacizi diferitisunt intalniti in proteine, deci majoritatea aminoacizilor sunt definiti de mai multi codoni (codul genetic este degenerat). Codul prezentat in urmatoarea imagine, a fost bine conservat de-a lungul evolutiei, cu foarte putine exceptii, el este acelasiatat in bacterii cat si in plante si organismul uman.

Page 31: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

De exemplu: -Codonul GUG este transpus in aminoacidul Valina, iar-Codonul GAG este transpus in Acid glutamic.

Codonii cu U sau C ca nucleotid secund, au tendintade a genera aminoacizi cu o inalta hidrofobicitate.

Page 32: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

In principiu, fiecare secventa de ARN poate fi transpusa in oricaredin cele trei moduri de citire (“reading frames”), in functie de pozitia din care incepe procesul de citire, putand genera trei secvente de aminoacizi diferite.

Aproape in toate aceste cazuri, doar unul din modurile de citire vaproduce o proteina functionala.

Cele trei posibilitati de citire ale secventei de nucleotide (albastru) in secventa de aminoacizi (verde)

Page 33: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

ARNtARNt potrivestepotriveste fiecarefiecare aminoacidaminoacid la la grupurilegrupurile de nucleotidede nucleotide

Codonii din moleculele de ARNm nu recunosc direct aminoacizii, asacum o enzima recunoaste un substrat. Translatia de la ARNm la proteinadepinde de o molecula “adaptoare” care recunoaste atat aminoacidul, cat sigrupurile de cate trei nucleotide. Acesti adaptori sunt de fapt seturi de molecule mici de ARN (de aprox 80 nucleotide), numite ARN de transport (ARNt).

Conformatia ARNt este una tridimensionala, datorita legaturilornoncovalente dintre bazele componente, legaturi asemanatoare cu celeexistente in moleculele dublu helicoidale ale ADNului. Diferenta este ca, in cazul ARNt, aceste legaturi se formeaza intre bazele aceluiasi lant (lantul ARNteste unul simplu, nu dublu ca al ADNului).

Conformatia ARNt este importanta pentru functia sa de adaptor.

Page 34: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Datorita celor patru segmente mici ale ARNt cu structura de dublu helix, ARNt are o forma asemanatoare frunzei de trifoi. Aceasta forma este mai amplucompactata intr-o forma de L prin legaturi de hidrogen mult mai puternice (imagine).

Doua dintre seturile de nucleotide aflate la capetele ARNt sub forma de L au o functie mai importanta in sinteza proteica: una este anticodonulanticodonul (care estecomplementar cu codonul de la nivelul ARNm), iar cealalta este secventa CCACCA de la capatul 3’ unde sunt atasati prin legaturi covalente diferiti aminoacizi.

ARNt al Fenilalanineidin drojdie.

Page 35: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

MesajulMesajul ARNuluiARNului esteeste cititcitit de la un de la un capatcapat la la altulaltul de de catrecatre ribozomiribozomi

Procesul de recunoastere a codonului prin care informatiagenetica este transferata de la ARNm prin ARNt la proteina, depinde de aceleasi interactii dintre bazele complementare intalnite in procesul de transfer a informatiei genetice de la ADN la ARN.

Fenomenul acesta necesita insa prezenta unui ribozom, un complex de mai mult de 50 proteine asociate cu molecule de ARN ribozomal (ARNr).

Page 36: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Fiecare ribozom este o masina ce sintetizeaza proteine, pe care moleculele de ARNt se pozitioneaza singure pentru a citi mesajul genetic codificat in ARNm. Mai intai ribozomii gasesc o zona speciala de start la nivelulARNm corespunzatoare capatului amino al proteinei ce se va forma. Apoi, peparcurs ce ribozomul se deplaseaza de-a lungul moleculei de ARNm, el vatraduce secventele de nucleotide in secvente de aminoacizi, cu fiecare codon in parte, folosind moleculele de ARNt pentru a adaouga aminoacizi la capatullantului polipeptidic (imagine). Cand ribozomul ajunge la capatul mesajului, atatribozomul, cat si capatul carboxilic proaspat format sunt eliberate de la capatul3’ al moleculei de ARNm direct in citoplasma.

Intr-o singura secunda, un singur ribozom bacterian adaugaaprox. 20 aminoacizi la lantulpolipeptidic.

SintezaSinteza proteicaproteica

Page 37: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

UneleUnele molecule de ARN au molecule de ARN au sisi rolrol de de catalizatoricatalizatori

In 1981 s-a constatat capacitateacatalitica a ARNului.

ARNul ribozomal al protozoaruluiciliat Tetrahymena este initial produs sub forma unui precursor cu masa molecularamare, din care, dupa scindare se formeaza ARNr. Aceasta etapa de scindare poate avea loc chiar si in vitro, in absenta proteinelor. Mai tarziu s-a constatat si ca insasi secventa intronuluiare o activitate catalitica asemanatoare cu a unei enzime, activitate ce se defasoarain doua etape (imagine):

Page 38: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Secventa intronului de aprox 400 nucleotide lungime a fostsintetizata si a fost studiata aratandu-se ca ea functioneaza ca o enzima in reactie cu alte molecule de ARN.

De exemplu, poate lega foarte strans doua componente: nucleotidulGuanina si lantul de ARN, catalizand formarea legaturii covalente:

Page 39: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

In acest model de reactie care este foarte asemanator cu prima etapa din imaginea anterioara, aceeasi secventa de introni actioneazarepetat pentru a desface mai multe lanturi de ARN.

Desi, in general acest proces de defacere a ARNului nu esteunul catalitic, autoscindarea ARNului cu secvente de introni ca in cazulTetrahymena a fost descoperita a fi prezenta si in alte celule de fungi sibacterii.

Acest lucru sugereaza ca aceste secvente de ARN ar fi putut saapara inainte de separarea in cele doua clase de eucariote si procariote, acum 1,5 milioane de ani.

Page 40: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Recent, au fost descoperite si alte familii de ARN catalitic. De exemplu, majoritatea ARNt este initial sintetizat sub forma unui

precursor de marime mai mare, iar pentru scindarea sa cu obtinerea ARN final, un rol catalitic important il au alte molecule de ARN. Remarcabil, activitatearibozomilor este suspectata a fi in stransa legatura cu activitatea catalizatoare a ARNului ribozomal, care ocupa mai mult de jumatate din acest complex.

Aceasta molecula mare de ARNr prezinta activitate de peptidil-transferaza, catalizand formarea noilor legaturi peptidice (imagine):

Page 41: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

Cum Cum esteeste posibilposibil ca o ca o moleculamolecula de ARN de ARN sasa se se comportecomporte ca o ca o enzimaenzima??

A fost propusa o structura tridimensionala a nucleului intronuluiTetrahymena prezentat in urmatoarea imagine:

Responsabile de aceasta structura tridimensionala cu ativitate cataliticasunt legaturile de hidrogen formate. O juxtapunere neobisnuita a legaturilorcovalente intre atomi face ca anumiti atomi din ARN sa fie foarte reactivi.

Page 42: Curs Biochimie 2007 Acizi Nucleici

Curs Biochimie

ConcluziiConcluzii

InformatiaInformatia geneticagenetica esteeste codificatacodificata in in secventasecventa linearalineara a a nucleotidelornucleotidelor in ADN. in ADN.

FiecareFiecare moleculamolecula de ADN are o de ADN are o structurastructura dubludublu helicoidalahelicoidala formataformatadin din douadoua lanturilanturi de nucleotide de nucleotide complementarecomplementare legate legate intreintre eleele prinprin legaturilegaturi de de hidrogenhidrogen ((bazelebazele GG--C C sisi AA--T).T).

DuplicareaDuplicarea informatieiinformatiei geneticegenetice are loc are loc prinprin polimerizareapolimerizarea unuiunui noinoilanturilanturi pornindpornind de la de la fiecarefiecare din din celecele douadoua lanturilanturi ADN separate in ADN separate in prealabilprealabil, , considerate considerate matritematrite..

TransmitereaTransmiterea informatieiinformatiei geneticegenetice stocatastocata in ADN in ADN presupunepresupunetranspunereatranspunerea sasa din din secventesecvente linearelineare de nucleotide in de nucleotide in secventelesecventele coco--linearelinearede de aminoaciziaminoacizi din din proteineproteine..

DoarDoar o o zonazona restransarestransa a a ADNuluiADNului esteeste copiatacopiata intrintr--un un lantlantcomplementarcomplementar de ARN.de ARN.